傳感器及其工作原理

編輯: 逍遙路 關鍵詞: 高二 來源: 高中學習網(wǎng)


選修3-2第六第1節(jié):傳感器及其工作 設計

一.【教材分析】:
《6.1 傳感器及其工作》是新人教版高中物理選修3-2第六第一節(jié)的內(nèi)容,主要學習一些簡單傳感器,以介紹為主,程內(nèi)容比較簡單。
二.【教學目標】
一、知識與技能:
(1)、了解什么是傳感器,知道非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的技術意義;
(2)、知道傳感器中常見的三種敏感元光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元及其它們的工作原理。
(3)、了解傳感器的應用。
二、過程與方法:
通過對實驗的觀察、思考和探究,讓學生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時,經(jīng)歷科學探究過程,學習科學研究方法,培養(yǎng)學生的觀察能力、實踐能力和創(chuàng)新思維能力。
三、情感、態(tài)度與價值觀:
(1)、體會傳感器在生活、生產(chǎn)、科技領域的種種益處,激發(fā)學生的學習興趣,拓展學生的知識視野,并加強物理與STS的聯(lián)系。
(2)、通過動手實驗,培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、團隊合作精神和創(chuàng)新意識。
三.【教學重點】:理解并掌握傳感器的三種常見敏感元的工作原理。
【教學難點】:分析并設計傳感器的應用電路。
四.學情分析:
從上世紀八十年代起,國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”,傳感器在當今科技發(fā)展中有著十分重要的地位。本的設計思路是通過對實驗的觀察、思考和探究,了解什么是傳感器,傳感器是如何將非電學量轉(zhuǎn)換成電學量的,傳感器在生產(chǎn)、生活中有哪些具體應用,為學生利用傳感器制作簡單的自控裝置作一鋪墊。學生對傳感器了解較少,教學時力避深奧的理論,側(cè)重于聯(lián)系實際,讓學生感受傳感器的巨大作用,進而提高學生的學習興趣,培養(yǎng)學生熱愛科學的情感和崇尚科學的精神。
五.【教學方法】:實驗、探究、討論
六.【教學用具】:干簧管,磁鐵,光敏電阻、熱敏電阻演示儀、傳感器簡單應用實驗盒、萬用表。

七.【時安排】1時
八.【教學過程】
預習檢查、總結(jié)疑惑
檢查落實了學生的預習情況并了解了學生的疑惑,使教學具有了針對性
一、引入新:
今天我們生活中常用的電視、空調(diào)的遙控器是如何實現(xiàn)遠距離操縱的?樓梯上的電燈如何能人就開,人走就熄的?工業(yè)生產(chǎn)中所用的自動報警器、恒溫烘箱是如何工作的?“非典”病毒肆虐華夏大地時,機場、車站、港口又是如何實現(xiàn)快速而準確的體溫檢測的?所有這些,都離不開一個核心,那就是本堂將要學習的傳感器。
二、新教學
1.什么是傳感器
演示實驗1:如圖1所示,小盒子的側(cè)面露出一個小燈泡,盒外沒有開關,當把磁鐵放到盒子上面,燈泡就會發(fā)光,把磁鐵移開,燈泡熄滅。

提問:盒子里有怎樣的裝置,才能實現(xiàn)這樣的控制?
學生猜測:盒子里有彈性鐵質(zhì)開關。
師生探究:打開盒子,用實物投影儀展示盒內(nèi)的電路圖(圖2),了解元“干簧管”的結(jié)構(gòu)。探明原因:當磁體靠近干簧管時,兩個由軟磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引,電路導通,干簧管起到了開關的作用。

教師點撥:這個裝置反過還可以讓我們通過燈泡的發(fā)光情況,感知干簧管周圍是否存在著磁場。
演示實驗2:教師出示一只音樂茶杯,茶杯平放桌上時,無聲無息,提起茶杯,茶杯邊播放悅耳的音樂,邊閃爍著五彩的光芒。
教師提問: 音樂茶杯的工作開關又在哪里?開啟的條是什么?
學生猜測:在茶杯底部,所受壓力發(fā)生改變。
實驗探究:提起茶杯,用手壓杯的底部,音樂并沒有停止。
學生猜測:是由于光照強度的改變。
實驗探究:用書擋住底部(不與底部接觸),音樂停止,可見音樂茶杯受光照強度的控制。
師生總結(jié):現(xiàn)代技術中,我們可以利用一些元設計電路,它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學量,或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。我們把這種元叫做傳感器。它的優(yōu)點是:把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量以后,就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了。
教師提問:實驗1中的干簧管是怎樣的傳感器,實驗2音樂茶杯中所用的元又是怎樣的傳感器?
學生回答:干簧管是一個能感受磁場的傳感器,音樂茶杯中所用的元是能感受光照強度的傳感器。
傳感器的工作原理如下圖所示:


2、認識一些制作傳感器的元器
(1)探究光敏電阻的特性
學生實驗1:學生五人一組,用萬用電表的歐姆擋測量一只光敏電阻的阻值,實驗分別在暗環(huán)境和強光照射下進行。
①、將光敏電阻與萬用表的歐姆檔按右圖所示連成電路
②、將光敏電阻受光面置于有光線照射的地方,觀察萬用表的讀數(shù),把光敏電阻的阻值填入現(xiàn)表中。
光敏電阻光照情況較亮稍暗較暗黑暗
光敏電阻的阻值(Ω)
③、用黑紙片將光敏電阻的透光窗口的遮住,移動黑紙片,使光敏電阻受到的光線出現(xiàn)較亮、稍暗、較暗、黑暗幾種情況,觀察幾種情況下光敏電阻的阻值變化,并把相應的阻值填入下表。
④、結(jié)論:光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大,強光照射下電阻值很小。
師生總結(jié):光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。
簡單介紹:光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。有些物質(zhì),例如硫化鎘,是一種半導體材料,無光照時,載流子極少,導電性能不好;隨著光照的增強,載流子增多,導電性變好。
(2)探究金屬熱電阻和熱敏電阻的特性
提問:金屬導體的導電性能與溫度有關嗎?關系如何?
回答:金屬導體的電阻隨溫度的升高而增大,如白熾燈鎢絲的電阻在正常工作情況下比常溫下的電阻大得多。

演示實驗4:如圖6所示,AB間接有一段鎢絲(從舊日光燈管中取出),閉合開關,燈泡正常發(fā)光,當用打火機給鎢絲加熱時,燈泡亮度明顯變暗。
學生探究:鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。
師生總結(jié):用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為熱電阻。如前面已經(jīng)學過的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計。
學生實驗2:學生五人一組,探究熱敏電阻的阻值大小與溫度的關系。
實驗器材:NTC熱敏電阻,萬用表,溫度計,水杯,涼水和熱水。
實驗方案:按照如圖所示的電路將熱敏電阻接入電路,將萬用表選擇開關置于歐姆檔,用溫度計測量溫度,用萬用表測量不同溫度下的電阻。
實驗步驟:
①、按上述電路連接電路
②、取半杯熱水,將熱敏電阻及溫度計放入熱水中
③、同時測量并記錄水溫和電阻值
④、倒入少許冷水,改變杯中的水溫,在同時測量水溫和電阻值,填入下表:
實驗數(shù)據(jù):
次數(shù)12345
溫度(℃)
電阻(Ω)
實驗結(jié)論:熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,且阻值隨溫度變化非常明顯。
師生總結(jié):半導體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。
師生總結(jié)比較:金屬熱電阻與熱敏電阻都能夠把溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量,金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好,測溫范圍大,但靈敏度較差。
(3)霍爾元

教師介紹:霍爾元是在一個很小的矩形半導體(例如砷化銦)薄片上,制作4個電極E、F、、N而成(如圖7所示)。若在E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的勻強磁場B,薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),使、N間出現(xiàn)電壓U。
師生討論:霍爾元的上的電壓U與電流I、磁感應強度B的關系,設霍爾元長為a,寬為b,厚為d,則當薄片中載流子達到穩(wěn)定狀態(tài)時, ,即 ,又因 ,所以 ,即 ( 為霍爾系數(shù))。因此,我們就可以根據(jù)電壓U的變化得知磁感應強度的變化。
師生共析:霍爾元能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量。
【堂總結(jié)】
傳感器是指一些能把光、力、溫度、磁感應強度等非電學量轉(zhuǎn)化為電學量或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元器,它在生活、生產(chǎn)和科技領域有著非常廣泛的應用。日本把傳感器技術列為上世紀八十年代十大技術之首,美國把傳感器技術列為九十年代的關鍵技術,而我國有關傳感器的研究和應用正方興未艾……
【布置作業(yè)】
1.觀察與思考:日常生活中哪些地方用到了傳感器,它們分別屬于哪種類型的傳感器,它們的工作原理如何?
2.實驗設計:用熱敏電阻、繼電器等器材設計一個火警報警器。
3.P55,思考與練習2題完成填表。
九.【板書設計】
第一節(jié):傳感器及其工作原理
1、傳感器:能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學量,或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元。
2、傳感器的優(yōu)點:把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量,很方便地進行測量、傳輸、處理和控制。
3、傳感器的工作原理:
4、認識一些制作傳感器的元器
(1)、光敏電阻:光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大,強光照射下電阻值很小。作用:光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。
(2)、熱敏電阻:熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,且阻值隨溫度變化非常明顯。作用:半導體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。
(3)、霍爾元:霍爾元能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量。
十.【教學反思】
本節(jié)依據(jù)學生的認知規(guī)律組織教學,引入新從生活實例入手,設置懸念,提出問題,激發(fā)學生興趣,增強學生的求知欲;在進行“什么是傳感器”的教學中注重實驗探究,引導學生從兩個實驗的探究中加以歸納,并通過DISLab系統(tǒng)顯示傳感器的優(yōu)越性,讓學生了解把非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的技術意義;在對光敏電阻、熱敏電阻和熱電阻、霍爾元這些制作傳感器的元器教學中,注重將教師演示實驗與學生動手實驗相結(jié)合,注重理論與實踐相結(jié)合。整個教學過程符合新程的三維目標,體現(xiàn)新程的理念,注意培養(yǎng)學生的自主、合作、探究能力,注意從生活走向物理,從物理走向生活,以此增進學生的學習能力和科學素養(yǎng)。




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